仿生機器人技術(shù)簡介

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1、仿 生 機 器 人 技 術(shù) 簡 介 定 義 分 類 特 點 國 內(nèi) 外 研 究 情 況 目 前 存 在 難 題 發(fā) 展 方 向 仿 生 機 器 人 定 義 模 仿 自 然 界 中 生 物 的 外 形 、 運 動 原 理 或 行為 方 式 的 系 統(tǒng) ， 能 從 事 生 物 特 點 工 作 的 機器 人 。 返 回 首 頁 按 照 所 模 仿 對 象 進 行 分 類 仿 人 ， 包 括 仿 人 的 機 械 臂 和 仿 人 步 行 。 仿 生 物 。 生 物 機 器 人 。 返 回 首 頁 仿 生 機 器 人 特 點 多 為 冗 余 自 由 度 或 超 冗 余 自 由 度 的 機 器 人 ，機 構(gòu)

2、 復(fù) 雜 。 其 驅(qū) 動 方 式 不 同 于 常 規(guī) 的 關(guān) 節(jié) 型 機 器 人 ，通 常 采 用 繩 索 、 人 造 肌 肉 或 形 狀 記 憶 合 金等 驅(qū) 動 。 返 回 首 頁 仿 生 機 器 人 國 內(nèi) 外 研 究 情 況 水 下 仿 生 機 器 人 空 中 仿 生 機 器 人 地 面 仿 生 機 器 人 仿 人 機 器 人 生 物 機 器 人 返 回 首 頁 水 下 機 器 人 無 人 遙 控 潛 水 器 ， 也 稱 水 下 機 器 人 。 一 種工 作 于 水 下 的 極 限 作 業(yè) 機 器 人 ， 能 潛 入 水中 代 替 人 完 成 某 些 操 作 ， 又 稱 潛 水 器 。

3、 水下 環(huán) 境 惡 劣 危 險 ， 人 的 潛 水 深 度 有 限 ， 所以 水 下 機 器 人 已 成 為 開 發(fā) 海 洋 的 重 要 工 具 。 無 人 遙 控 潛 水 器 主 要 有 ， 有 纜 遙 控 潛 水 器和 無 纜 遙 控 潛 水 器 兩 種 ， 其 中 有 纜 避 控 潛水 器 又 分 為 水 中 自 航 式 、 拖 航 式 和 能 在 海底 結(jié) 構(gòu) 物 上 爬 行 式 三 種 。 水 下 仿 生 機 器 人 機 器 魚 機 器 魚 “ 自 由 泳 ” “ 過 龍 門 ” 在 水 中 “ 戲 球 ” 自 主 地 避 開 障 礙 物 【 最 新 版 機 器 金 槍 魚 】 如

4、圖 所 示 ， 這 是 美 國 麻 省 理 工 學(xué) 院 最 新 款機 器 金 槍 魚 ， 它 柔 韌 的 身 體 內(nèi) 部 整 合 了 1個 發(fā) 動 機 和 6個 可 移 動 部件 ， 使 其 能 更 好 地 模 擬 真 實 金 槍 魚 的 活 動 。 它 的 身 體 是 由 軟 聚 合 體制 成 ， 該 材 料 不 會 受 到 水 的 腐 蝕 作 用 。 真 實 的 金 槍 魚 每 秒 可 游 動自 已 體 長 10倍 的 距 離 ， 而 這 款 機 器 人 僅 能 每 秒 游 動 相 當(dāng) 于 自 身 體長 的 距 離 。 【 “ 珠 寶 機 器 魚 ” 】 如 圖 所 示 ， 2005年 1

5、0月 7日 ， 一 位 兒 童 在 倫敦 水 族 館 正 在 觀 看 一 個 像 珠 寶 一 樣 的 機 器 魚 。 不 久 西 班 牙 海 岸 將 增添 4只 這 樣 的 機 器 魚 負 責(zé) 巡 邏 工 作 ， 搜 尋 水 中 的 污 染 物 質(zhì) 。 這 種 機器 魚 體 長 1.5米 （ 4.9英 尺 ） ， 目 前 這 款 由 英 國 艾 塞 克 斯 郡 大 學(xué) 設(shè) 計的 機 器 魚 將 進 一 步 進 行 功 能 性 改 進 。 使 用 時 間 更 長 的 電 池 和 高 級 的傳 感 器 將 使 每 只 機 器 人 可 在 Gijon灣 持 續(xù) 勘 測 8個 小 時 ， 能 夠 自

6、動 上報 勘 測 位 置 的 變 化 ， 并 且 無 線 傳 輸 勘 測 數(shù) 據(jù) 。 【 機 器 企 鵝 】 如 圖 所 示 ， 機 器 企 鵝 可 以 無 需 人 們 的 幫 助 下 在 池 塘 中 巡 游 ，但 并 不 像 真 實 企 鵝 那 樣 可 以 背 身 反 向 游 動 。 機 器 企 鵝 是 由 德 國 費 斯 托 工程 公 司 設(shè) 計 制 造 ， 據(jù) 悉 ， 該 公 司 主 要 面 向 汽 車 行 業(yè) 出 售 充 氣 裝 置 。 機 器 企鵝 是 一 款 最 新 型 設(shè) 計 ， 充 分 結(jié) 合 了 該 公 司 的 仿 生 技 術(shù) 。 【 機 器 水 母 】 如 圖 所 示 ，

7、德 國 費 斯 托 工 程 公 司 設(shè) 計 的 機 器 水 母 足 以 讓 人們 大 吃 一 驚 ， 它 們 通 過 內(nèi) 置 在 圓 頂 結(jié) 構(gòu) 中 的 11個 紅 外 線 發(fā) 光 二 極 管 ， 可 以彼 此 之 間 進 行 溝 通 聯(lián) 系 。 該 公 司 使 用 機 器 水 母 測 試 大 規(guī) 模 工 程 故 障 是 否 可以 通 過 許 多 小 型 機 器 人 系 統(tǒng) 協(xié) 作 來 完 成 。 水 下 仿 生 機 器 人 的 應(yīng) 用 軍 用 方 面 ： 戰(zhàn) 時 偵 察 ， 收 集 情 報 ， 探 雷 與 滅 雷 ，潛 艇 戰(zhàn) 與 反 潛 戰(zhàn) ， 作 為 誘 餌 干 擾 敵 方 等 ， 同

8、時 也可 以 作 為 高 性 能 的 智 能 化 器 或 武 器 平 臺 ， 直 接 用于 襲 擊 和 破 壞 敵 方 的 港 口 、 水 下 偵 察 系 統(tǒng) 、 艦 船 、海 上 平 臺 、 破 壞 敵 方 海 上 運 輸 線 等 。 查 看 海 水 變 化 ， 定 位 并 排 除 水 雷 。 美 國 “ 水 下 龍 蝦 ” 機 器 人 水 下 仿 生 機 器 人 的 應(yīng) 用 美 國 海 軍 的 渦 量 控 制 水 下 無 人 載 器 空 中 仿 生 機 器 人 飛 行 機 器 人 即 具 有 自 主 導(dǎo) 航 能 力 的 無 人 駕 駛飛 行 器 ,這 類 機 器 人 活 動 空 間 廣 闊

9、 、 運 動 速 度 快 ,居高 臨 下 不 受 地 形 限 制 .在 軍 事 、 森 林 火 災(zāi) 以 及 災(zāi) 難搜 救 中 ,前 景 極 好 .其 飛 行 原 理 分 為 :固 定 翼 飛 行 、旋 翼 飛 行 和 撲 翼 飛 行 .固 定 翼 技 術(shù) 已 經(jīng) 成 熟 ,其 翼 展200mm以 下 不 足 以 產(chǎn) 生 足 夠 的 升 力 .目 前 國 內(nèi) 外 廣泛 關(guān) 注 的 微 型 飛 行 器 側(cè) 重 于 撲 翼 機 的 研 究 .它 模 仿鳥 類 或 昆 蟲 的 撲 翼 飛 行 原 理 ,故 被 稱 為 “ 人 工 昆蟲 ” .其 特 點 是 將 舉 升 、 懸 停 和 推 進 功 能

10、集 于 一 個撲 翼 系 統(tǒng) ,可 以 用 很 小 的 能 量 做 長 距 離 飛 行 ,同 時 具有 較 強 的 機 動 性 ,適 合 于 長 時 間 無 能 源 補 給 及 遠 距離 條 件 下 執(zhí) 行 任 務(wù) 。 海 灣 戰(zhàn) 爭 1991年 爆 發(fā) 了 海 灣 戰(zhàn) 爭 ， 美 軍 首 先 面 對 的 一 個 問 題 就 是 要 在 茫 茫 的 沙 海中 找 到 伊 拉 克 隱 藏 的 飛 毛 腿 導(dǎo) 彈 發(fā) 射 器 。 如 果 用 有 人 偵 察 機 ， 就 必 須 在 大漠 上 空 往 返 飛 行 ， 長 時 間 暴 露 于 伊 拉 克 軍 隊 的 高 射 火 力 之 下 ， 極 其

11、危 險 。為 此 ， 無 人 機 成 了 美 軍 空 中 偵 察 的 主 力 。 在 整 個 海 灣 戰(zhàn) 爭 期 間 ， “ 先 鋒 ”無 人 機 是 美 軍 使 用 最 多 的 無 人 機 種 ， 美 軍 在 海 灣 地 區(qū) 共 部 署 了 6個 先 鋒 無 人機 連 ， 總 共 出 動 了 522架 次 ， 飛 行 時 間 達 1640小 時 。 那 時 ， 不 論 白 天 還 是黑 夜 ， 每 天 總 有 一 架 先 鋒 無 人 機 在 海 灣 上 空 飛 行 。 為 了 摧 毀 伊 軍 在 沿 海 修 筑 的 堅 固 的 防 御 工 事 ， 2月 4日 密 蘇 里 號 戰(zhàn) 艦 乘 夜

12、駛至 近 海 區(qū) ， 先 鋒 號 無 人 機 由 它 的 甲 板 上 起 飛 ， 用 紅 外 偵 察 儀 拍 攝 了 地 面 目標(biāo) 的 圖 像 并 傳 送 給 指 揮 中 心 。 幾 分 鐘 后 ， 戰(zhàn) 艦 上 的 406毫 米 的 艦 炮 開 始 轟 擊目 標(biāo) ， 同 時 無 人 機 不 斷 地 為 艦 炮 進 行 校 射 。 之 后 威 斯 康 星 號 戰(zhàn) 艦 接 替 了 密蘇 里 號 ， 如 此 連 續(xù) 炮 轟 了 三 天 ， 使 伊 軍 的 炮 兵 陣 地 、 雷 達 網(wǎng) 、 指 揮 通 信 樞紐 遭 到 徹 底 破 壞 。 在 海 灣 戰(zhàn) 爭 期 間 ， 僅 從 兩 艘 戰(zhàn) 列 艦

13、上 起 飛 的 先 鋒 無 人 機就 有 151架 次 ， 飛 行 了 530多 個 小 時 ， 完 成 了 目 標(biāo) 搜 索 、 戰(zhàn) 場 警 戒 、 海 上 攔截 及 海 軍 炮 火 支 援 等 任 務(wù) 。 在 海 灣 戰(zhàn) 爭 中 ， 先 鋒 無 人 機 成 了 美 國 陸 軍 部 隊 的 開 路 先 鋒 。 它 為 陸 軍 第 7軍進 行 空 中 偵 察 ， 拍 攝 了 大 量 的 伊 軍 坦 克 、 指 揮 中 心 、 及 導(dǎo) 彈 發(fā) 射 陣 地 的 圖像 ， 并 傳 送 給 直 升 機 部 隊 ， 接 著 美 軍 就 出 動 “ 阿 帕 奇 ” 攻 擊 型 直 升 機 對 目標(biāo) 進 行

14、攻 擊 ， 必 要 時 還 可 呼 喚 炮 兵 部 隊 進 行 火 力 支 援 。 先 鋒 機 的 生 存 能 力很 強 ， 在 319架 次 的 飛 行 中 ， 僅 有 一 架 被 擊 中 ， 有 4 5架 由 于 電 磁 干 擾 而失 事 。 除 美 軍 外 ， 英 、 法 、 加 拿 大 也 都 出 動 了 無 人 機 。 如 法 國 的 “ 幼 鹿 ” 師 裝 備有 一 個 “ 馬 爾 特 ” 無 人 機 排 。 當(dāng) 法 軍 深 入 伊 境 內(nèi) 作 戰(zhàn) 時 ， 首 先 派 無 人 機 偵察 敵 情 ， 根 據(jù) 偵 察 到 的 情 況 ， 法 軍 躲 過 了 伊 軍 的 坦 克 及 炮

15、兵 陣 地 。 空 中 仿 生 機 器 人 舉 例 美 國 機 器 蠅 法 國 機 器 鳥 返回首頁 機 器 蒼 蠅 的 體 重 只 有 六 十 毫 克 ， 翼 展也 僅 僅 有 三 厘 米 ， 它 是 典 型 的 仿 生 學(xué)產(chǎn) 品 ， 其 飛 行 運 動 原 理 和 真 的 蒼 蠅 非常 相 似 ， 在 哈 佛 大 學(xué) 完 成 了 它 的 首 飛 。當(dāng) 機 器 人 學(xué) 家 第 一 次 看 到 他 們 的 作 品開 始 運 動 和 具 有 “ 生 命 ” 時 ， 沒 有 其他 比 在 此 時 更 具 有 價 值 的 時 刻 了 。 而羅 伯 特 伍 德 ， 就 在 一 年 前 的 此 時 ，

16、當(dāng)羅 伯 特 伍 德 的 第 一 雙 人 工 翅 膀 展 翅 飛翔 的 時 候 ， 這 種 初 為 人 父 般 的 驕 傲 來臨 了 。事 情 源 于 羅 伯 特 伍 德 在 堅 持 薄 翼 式 機器 人 ， 它 使 用 兩 個 繃 緊 的 鋼 絲 。 接 下來 羅 伯 特 伍 德 接 通 了 外 部 電 源 。 使 用幾 毫 秒 碳 纖 維 作 為 翅 膀 ， 大 約 有 15毫 米 的 長 度 ， 它 每 秒 可 以 來 回 撲 扇 120次 ，就 像 一 個 實 際 的 昆 蟲 在 來 回 撲 扇 著 翅膀 。 蒼 蠅 機 器 人 沿 著 由 電 線 定 好 的 軌道 直 線 起 飛 。

17、 據(jù) 羅 伯 特 伍 德 所 知 ， 這是 首 次 能 夠 飛 行 的 昆 蟲 般 大 小 的 機 器人 。 1返 回 機 器 鳥 是 一 種 外 形 酷 似 鷹 的 遙 控 飛 行器 ， 希 望 它 能 在 機 場 上 嚇 跑 其 他 鳥 類 ，防 止 事 故 發(fā) 生 。 但 其 效 果 有 待 時 間 檢驗 。GreenX這 是 一 種 名 為 GreenX的 機 器 鳥 ， 外 形酷 似 鷹 ， 地 面 人 員 像 遙 控 飛 機 一 樣 指揮 機 器 鳥 的 飛 行 。 它 們 可 以 在 空 中 滑翔 、 俯 沖 或 者 急 速 扇 動 翅 膀 ， 鳥 類 的所 有 動 作 ， 機

18、器 鳥 都 能 完 成 。返 回 仍 然 是 一 個 挑 戰(zhàn) 要 達 到 穩(wěn) 定 、 自 由 地 飛 行 ， 需 要 縮 小 并 安 裝 個 裝 置 ： 傳 感 器 、 控制 器 和 電 源 。 目 前 ， 一 些 實 驗 室 和 公 司 共 同 在 開 發(fā) 一 套 靈 感 來 自 于 生物 知 覺 的 系 統(tǒng) ， 即 可 以 控 制 機 器 人 自 身 飛 行 姿 態(tài) 和 簡 單 動 作 的 傳 感 器 。我 的 前 任 導(dǎo) 師 費 林 受 其 啟 發(fā) ， 在 伯 克 利 加 利 福 尼 亞 大 學(xué) 微 型 系 統(tǒng) 仿 生實 驗 室 發(fā) 明 了 能 夠 探 測 視 野 的 陀 螺 儀 和 傳

19、 感 器 。 在 華 盛 頓 特 區(qū) 的 ， 已 經(jīng) 研 制 出 重 量 小 于 克 的 視 覺 傳 感 器 ， 以 協(xié) 助 飛 行 機器 人 導(dǎo) 航 。 蒼 蠅 可 以 實 現(xiàn) 所 謂 “ 眼 跳 ” 的 跳 躍 飛 行 ， 因 為 它 有 一 個 迅 速 反 應(yīng)的 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 。 在 蒼 蠅 體 內(nèi) ， 神 經(jīng) 沖 動 無 須 通 過 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) ， 而 是 直接 由 內(nèi) 部 反 饋 傳 感 器 控 制 飛 行 肌 。 我 們 目 前 正 在 研 究 可 行 的 辦 法 來 效仿 這 一 系 統(tǒng) ， 即 讓 一 些 姿 態(tài) 傳 感 器 來 辨 別 方 向 并 直 接 控 制

20、 執(zhí) 行 機 構(gòu) 。 而 如 何 將 電 源 放 置 在 機 器 人 上 是 我 們 面 臨 的 又 一 挑 戰(zhàn) 。 安 裝 在 蒼蠅 機 器 人 上 的 電 池 雖 然 體 積 極 小 ， 但 所 需 的 能 量 密 度 很 高 ， 當(dāng) 今 最 好的 縮 小 版 鋰 電 池 重 約 毫 克 ， 占 飛 行 機 器 人 重 量 的 一 半 ， 可 以 飛 行 分 鐘 。 為 了 延 長 飛 行 時 間 ， 我 們 不 得 不 增 加 電 池 的 能 量 密 度 ， 可 能 在 機 器 人 背 部 安 裝 微 型 太 陽 能 電 池 板 或 將 機 器 人 機 翼 的 振 動 轉(zhuǎn) 換成 電 能

21、。 現(xiàn) 在 ， 我 們 已 把 注 意 力 轉(zhuǎn) 向 低 功 耗 和 分 散 控 制 算 法 上 。 其 次 ， 開 始 考 慮 借 助 大 自 然 的 力 量 。 令 人 驚 嘆 地 是 ， 自 然 界 中 的 昆 蟲 在 完 成 某 項 任 務(wù) 的 過 程 中 ， 僅 僅 使 用了 簡 單 的 法 則 和 最 小 限 度 的 溝 通 ， 比 如 白 蟻 能 搭 建 一 個 超 出 其 自 身 體積 數(shù) 百 萬 倍 的 結(jié) 構(gòu) 。 為 此 我 們 相 信 ， 研 究 和 模 仿 昆 蟲 的 行 為 ， 可 以 幫助 我 們 改 進 算 法 ， 我 們 的 機 器 人 最 終 可 以 被 用 來

22、 作 為 工 具 ， 由 成 群 的簡 單 機 器 人 去 完 成 復(fù) 雜 的 任 務(wù) 。 盡 管 是 一 些 基 本 的 控 制 算 法 ， 我 們 仍 然 期 待 微 型 機 器 人 作 為 一 個特 定 的 移 動 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) ， 能 扮 演 和 履 行 各 種 各 樣 的 角 色 ， 包 括 搜 索 與救 援 、 危 險 環(huán) 境 中 的 監(jiān) 測 、 完 成 偵 察 任 務(wù) 乃 至 行 星 探 測 等 。 我 們 預(yù) 測 ：在 微 型 機 器 人 機 翼 上 安 裝 智 能 傳 感 器 不 再 是 一 個 遙 遠 的 夢 ， 一 個 完 全自 主 的 昆 蟲 機 器 人 年 內(nèi)

23、將 在 實 驗 室 條 件 下 飛 翔 。 屆 時 ， 人 們 將 看 到這 些 機 器 人 在 我 們 的 日 常 生 活 中 出 現(xiàn) 。 令 人 驚 嘆 地 是 ， 自 然 界 中 的 昆蟲 在 完 成 某 項 任 務(wù) 的 過 程 中 ， 僅 僅 使 用 了 簡 單 的 法 則 和 最 小 限 度 的 溝通 ， 比 如 白 蟻 能 搭 建 一 個 超 出 其 自 身 體 積 數(shù) 百 萬 倍 的 結(jié) 構(gòu) 。 為 此 我 們相 信 ， 研 究 和 模 仿 昆 蟲 的 行 為 ， 可 以 幫 助 我 們 改 進 算 法 ， 我 們 的 機 器人 最 終 可 以 被 用 來 作 為 工 具 ， 由

24、 成 群 的 簡 單 機 器 人 去 完 成 復(fù) 雜 的 任 務(wù) 。 盡 管 是 一 些 基 本 的 控 制 算 法 ， 我 們 仍 然 期 待 微 型 機 器 人 作 為 一 個特 定 的 移 動 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) ， 能 扮 演 和 履 行 各 種 各 樣 的 角 色 ， 包 括 搜 索 與 救 援 、 危 險 環(huán) 境 中 的 監(jiān) 測 、 完 成 偵 察 任 務(wù) 乃 至 行 星 探 測 等 。 我 們 預(yù) 測 ：在 微 型 機 器 人 機 翼 上 安 裝 智 能 傳 感 器 不 再 是 一 個 遙 遠 的 夢 ， 一 個 完 全自 主 的 昆 蟲 機 器 人 年 內(nèi) 將 在 實 驗 室

25、條 件 下 飛 翔 。 屆 時 ， 人 們 將 看 到這 些 機 器 人 在 我 們 的 日 常 生 活 中 出 現(xiàn) 。 地 面 仿 生 機 器 人 蛇 形 機 器 人 爬 壁 機 器 人 機 器 狗 機 器 人 返 回 蛇 形 機 器 人 返 回 英 國 倫 敦 大 學(xué) 的 計 算 機 專 家 目 前 正 在 開 發(fā) 一 種 低成 本 的 軍 事 偵 察 機 器 人 ， 這 種 無 輪 的 蛇 形 機 器 人擁 有 一 套 根 據(jù) “ 適 者 生 存 ” 法 則 開 發(fā) 的 智 能 軟 件 ，可 以 幫 助 它 在 戰(zhàn) 場 上 受 傷 或 損 壞 關(guān) 鍵 “ 肌 肉 ” 的部 位 進 化 ，

26、 不 會 影 響 它 繼 續(xù) 前 進 。 研 究 人 員 還 為它 設(shè) 計 了 可 傳 送 高 質(zhì) 量 圖 像 和 聲 音 的 變 形 天 線 。據(jù) 8月 21日 出 版 的 新 科 學(xué) 家 雜 志 報 道 ， 這 種 蛇型 機 器 人 是 由 一 根 根 類 似 椎 骨 的 標(biāo) 準(zhǔn) 組 件 環(huán) 環(huán) 相扣 而 成 ， 每 根 椎 骨 上 有 三 條 單 獨 的 “ 肌 肉 ” ， 這些 “ 肌 肉 ” 由 一 種 叫 做 鎳 鈦 諾 的 金 屬 絲 制 成 ， 這種 非 磁 性 合 金 具 有 形 狀 記 憶 的 特 殊 功 能 ， 當(dāng) 有 電流 通 過 時 ， 鎳 鈦 諾 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)

27、 會 收 縮 ， 一 旦 斷 電 ，它 又 能 恢 復(fù) 到 以 前 的 形 狀 。 研 究 人 員 將 蛇 形 機 器人 的 部 分 “ 肌 肉 ” 接 上 電 源 ， 以 使 其 朝 特 定 的 方向 移 動 。 切 斷 電 流 后 ， “ 肌 肉 ” 反 彈 ， 機 器 人 就會 跳 動 著 前 進 。 研 究 人 員 說 ， 使 機 器 人 像 蛇 一 樣 扭 動 前 行 的 程 序 設(shè) 計非 常 簡 單 ， 但 是 要 確 保 其 “ 肌 肉 ” 受 傷 后 還 能 移 動 就需 要 動 動 腦 筋 了 。 研 究 小 組 負 責(zé) 人 彼 得 本 特 利 根 據(jù)“ 適 者 生 存 ”

28、的 遺 傳 法 則 設(shè) 計 了 一 套 軟 件 ， 幫 助 蛇 形機 器 人 不 斷 進 化 ， 進 行 自 我 完 善 。 這 套 程 序 特 別 之 處就 在 于 20條 數(shù) 字 染 色 體 ， 每 條 染 色 體 都 有 一 個 任 意 的起 始 二 進 制 數(shù) 字 與 一 條 “ 肌 肉 ” 相 對 應(yīng) ， 1代 表 “ 肌肉 ” 活 化 ， 0代 表 “ 肌 肉 ” 僵 滯 ， 這 樣 ， “ 肌 肉 ” 的活 化 與 僵 滯 就 進 入 一 個 循 環(huán) 狀 態(tài) 。 由 于 不 同 的 染 色 體決 定 著 蛇 形 機 器 人 不 同 的 運 動 方 式 ， 根 據(jù) 機 器 人 需

29、要前 進 的 距 離 遠 近 ， “ 適 者 生 存 ” 法 則 將 對 所 有 的 染 色體 進 行 測 試 ， 測 試 情 況 最 好 的 兩 條 染 色 體 被 保 存 下 來 ，剩 余 的 則 重 新 混 合 在 一 起 ， 或 使 其 隨 意 變 異 。 然 后 研究 人 員 將 測 試 過 程 再 次 重 復(fù) ， 這 樣 經(jīng) 過 好 幾 代 演 化 ，使 染 色 體 控 制 的 “ 肌 肉 ” 達 到 最 終 的 穩(wěn) 定 表 現(xiàn) 狀 態(tài) 。 爬 壁 機 器 人 返回首頁 NINJA 基 于 范 德 華 力 的 仿 生 壁 虎 腳 掌 吸 附 式(干 性 粘 劑 -人 造 仿 生 壁

30、 虎 腳 ) 大 量 的 微 精 細 剛 毛 保 證 了 壁 虎 腳 掌 與 接觸 面 的 充 分 接 觸 ， 從 而 產(chǎn) 生 強 大 的 黏 附 力 人 工 智 能 機 器 狗 “ 愛 寶 ” （ Aibo） 索 尼 公 司 最 新 推 出 的 新 一 代 人 工 智 能機 器 狗 “ 愛 寶 ” （ Aibo） ， 借 鑒 了 美國 暢 銷 玩 具 “ 跳 舞 雞 ” Elmo（ Chicken Dance Elmo） 的 “ 聰 明 ” 和 “ 可 愛 ”（ 新 型 “ 愛 寶 ” 狗 也 能 像 “ 跳 舞 雞 ”一 樣 跟 著 音 樂 節(jié) 奏 而 “ 翩 翩 起 舞 ” ） 。新 一

31、 代 “ 愛 寶 ” 機 器 狗 能 夠 與 MP3 、WAV 和 Windows Media 文 件 格 式 兼 容 。索 尼 公 司 在 1999年 ， 將 第 一 代 人 工 智能 機 器 狗 “ 愛 寶 ” 首 次 推 向 市 場 。 寵 物 “ 小 狗 ” 的 主 人 們 可 以 通 過 個 人 計 算機 ， 在 無 線 環(huán) 境 下 完 成 控 制 、 編 程 以 及 導(dǎo)航 操 作 。 而 軟 件 系 統(tǒng) 的 更 新 改 進 ， 加 快 了機 器 狗 愛 寶 “ 頭 腦 ” 的 反 應(yīng) 時 間 ， 使 它 能夠 更 好 地 執(zhí) 行 主 人 們 的 聲 音 指 令 ， 索 尼 公司 如

32、 此 表 示 。 新 一 代 “ 愛 寶 ” 還 裝 有 一 個與 微 軟 公 司 Outlook 軟 件 兼 容 的 日 程 安 排程 序 ， 因 此 ， 這 只 機 器 狗 可 以 及 時 地 提 醒它 的 主 人 們 ， 不 要 忘 記 約 會 的 時 間 。 由 于 增 加 了 “ 視 頻 攝 像 ” （ video-recording ） 功 能 ， 新 一 代 “ 愛 寶 ”機 器 狗 現(xiàn) 在 還 能 夠 行 使 “ 看 門 狗 ” 的職 責(zé) ， 來 做 為 “ 看 守 ” 使 用 。 當(dāng) 屋 子的 主 人 不 在 家 時 ， “ 愛 寶 ” 可 以 自 動捕 捉 拍 攝 室 內(nèi)

33、所 有 的 運 動 畫 面 （ 例 如移 動 的 物 體 或 陌 生 人 ） 。 此 外 ， “ 愛寶 ” 的 眼 部 裝 有 CMOS 照 相 機 ， 使 得 這只 “ 小 狗 ” 能 夠 拍 攝 照 片 ， 并 將 拍 攝到 的 圖 像 照 片 通 過 電 子 郵 件 傳 送 到 主人 們 的 計 算 機 里 或 手 機 里 。 最 成 功 的 四 足 機 器 人 BigDog 仿 人 機 器 人 模 仿 人 的 形 態(tài) 和 行 為 而 設(shè) 計 制 造 的 機 器 人 就 是 仿人 機 器 人 ， 一 般 分 別 或 同 時 具 有 仿 人 的 四 肢 和 頭 部 。中 國 科 技 大 學(xué)

34、 陳 小 平 教 授 介 紹 ， 機 器 人 一 般 根 據(jù) 不同 應(yīng) 用 需 求 被 設(shè) 計 成 不 同 形 狀 ， 如 運 用 于 工 業(yè) 的 機械 臂 、 輪 椅 機 器 人 、 步 行 機 器 人 等 。 而 仿 人 機 器 人研 究 集 機 械 ， 電 子 ， 計 算 機 ， 材 料 ， 傳 感 器 ， 控 制技 術(shù) 等 多 門 科 學(xué) 于 一 體 ， 代 表 著 一 個 國 家 的 高 科 技發(fā) 展 水 平 。 從 機 器 人 技 術(shù) 和 人 工 智 能 的 研 究 現(xiàn) 狀 來看 ， 要 完 全 實 現(xiàn) 高 智 能 ， 高 靈 活 性 的 仿 人 機 器 人 還有 很 長 的 路

35、要 走 ， 而 且 ， 人 類 對 自 身 也 沒 有 徹 底 地了 解 ， 這 些 都 限 制 了 仿 人 機 器 人 的 發(fā) 展 返回首頁 日 本 雙 足 機 器 人 日 本 本 田 和 大 阪 大 學(xué) 聯(lián) 合 研 制 的 P1,P2,P3型 仿 人 步 行 機 器 人 。 在 P3基 礎(chǔ) 上 研 制 了 ASIMO智 能 機 器 人（ 1.2m,43kg,)爬 樓 梯 ， 6km/h奔 跑 ， 聲 音識 別 ， 通 過 頭 部 照 相 機 捕 捉 畫 面 識 別 人 類各 種 手 勢 和 10種 臉 型 。 返 回 TMSUK04 T5 http:/www.tmsuk.co.jp/jap

36、/index.html 遠端操控1993年1月開発 1996年1月開発 1997年開発 1999年開発T5 2000年開発TMSUK04-2 株式會社 危険地域（工事現(xiàn)場災(zāi)害現(xiàn)場） 滅火! 2000年 前 后 ， 日 本 SONY、 豐 田 、 本 田 、 富 士 通 等 公司 開 發(fā) 并 展 示 了 一 系 列 類 人 型 機 器 人 產(chǎn) 品 ， 具 備 了 較 高的 水 平 。 SDR-4X(Sony Dream Robot) http:/www.watch.impress.co.jp/pc/docs/2002/0320/sony.htm1994 P1 ASIMO SDR 2000P319

37、97 P2PS: Prototype =原形 ASIMO= short for Advanced Step in Innovative Mobility 1996公開發(fā)表震撼機械人學(xué)界! 1988年 國 防 科 技 大 學(xué) 研 制 成 功 了 六 關(guān) 節(jié) 平 面 運 動 型 雙足 步 行 機 器 人 。 2000年 ， 我 國 第 一 臺 類 人 型 機 器 人 在 國 防 科 大 研 制 成功 。 目 前 ， 國 內(nèi) 也 有 較 成 熟 的 類 人 型 機 器 人 產(chǎn) 品 。 Nao機 器 人 法 國 Aldebaran-Robotics 公 司 的 產(chǎn) 品 。 RoboCup機 器 人 世

38、 界 杯 的 標(biāo) 準(zhǔn) 平 臺 組 比 賽 用 機 器 人 。 有 視 覺 、 聽 覺 和 姿 態(tài) 傳 感 ， 能 感 知 外 部 環(huán) 境 和 自 身 姿態(tài) 。 它 可 在 Linux、 微 軟 或 MacOS 等 多 種 平 臺 上 編 程 開發(fā) 。 價 格 約 為 十 多 萬 人 民 幣 。 機 器 人 綜 合 特 性 參 數(shù) ：體 型 特 征 ：身 高 ： 58公 分體 重 ： 4.3 Kg身 體 類 型 ： 工 業(yè) 塑 料能 耗 ： 電 源 ： AC 90-230 V/DC 24 V電 池 容 量 ： 充 電 后 使 用 45min， 可 反 復(fù) 使 用400次 以 上 。自 由 度 ：

39、 共 計 25 自 由 度頭 部 ： 2 自 由 度手 臂 ： 5 自 由 度 * 2 只骨 盆 ： 1 自 由 度腿 部 ： 5 自 由 度 * 2 只 手 ： 1 自 由 度 * 2 只多 媒 體 ：揚 聲 器 ： 2 只 揚 聲 器擴 音 器 ： 4 只 話 筒視 覺 ： 2 只 CMOS數(shù) 字 攝 像 頭 聲 納 Nao的 軀 干 上 安 裝 了 兩對 超 聲 波 發(fā) 射 器 和 接 收 器 ，這 樣 ， Nao就 可 以 了 解 到 周圍 是 否 有 障 礙 物 以 及 障 礙 物的 數(shù) 量 。 紅 外 傳 感 器 安 裝 在 Nao眼 睛 里 的紅 外 線 發(fā) 射 器 和 接 收

40、器 可以 使 Nao連 接 至 其 周 圍 的物 體 ， 作 為 遠 程 控 制 。（ 直 線 傳 輸 ） 碰 撞 傳 感 器 如 果 障 礙 物 過 低 而 無 法 被胸 前 的 探 測 器 探 測 到 （ 例 如 臺階 、 地 上 的 物 體 等 ） ， 那 么 位于 Nao腳 尖 的 機 械 碰 撞 傳 感 器會 首 先 碰 觸 到 障 礙 物 并 把 這 一信 息 傳 送 給 Nao。 這 樣 ， Nao就可 以 試 著 繞 開 這 個 障 礙 物 。 電 容 式 傳 感 器 Nao的 頭 頂 上 配 備 了 一 個電 容 式 傳 感 器 。 這 樣 ， 可 以通 過 觸 摸 向 Na

41、o傳 遞 信 息 。例 如 ， 要 責(zé) 備 Nao時 ， 可 以簡 單 按 幾 下 。 NAO的 通 信 與 交 流 方 式 Nao可 以 通 過 紅 外 線 進 行 遠 程 控 制 。 Nao也可 以 通 過 Wi-Fi來 連 接 無 線 ， Nao還 可 以 通 過 語 音識 別 進 行 進 行 簡 單 的 命 令 接 收 和 交 流 。 機 器 人 相 撲 比 賽 最 近 日 本 舉 行 了 第 五 屆 ROBO-ONE機 器 人 相 撲大 會 ， 2月 1日 總 決 賽 結(jié) 束 。 這 次 大 會 在 日 本 科學(xué) 未 來 館 舉 行 ， 共 有 129臺 機 器 人 申 請 參 賽

42、， 最終 有 101臺 機 器 人 在 擂 臺 上 一 決 勝 負 。 用 兩 足 步行 機 器 人 進 行 相 撲 比 賽 ， 對 機 器 人 的 動 作 協(xié) 調(diào)性 、 平 衡 能 力 都 是 極 大 的 考 驗 ， 當(dāng) 然 多 數(shù) 參 賽選 手 都 專 門 針 對 比 賽 進 行 了 優(yōu) 化 。 生 物 機 器 人 生 物 機 器 人 是 指 利 用 動 物 體 的 運 動 機 能 !動 力 供應(yīng) 體 制 從 動 物 運 動 的 感 受 傳 入 或 神 經(jīng) 支 配 入 手 實 現(xiàn) 對動 物 的 運 動 和 某 些 行 為 的 人 為 控 制 從 而 利 用 動物 特 長 代 替 人 類 完

43、 成 人 所 不 能 和 人 所 不 敢 的 特殊 任 務(wù) 利 用 生 物 控 制 技 術(shù) 研 制 生 物 機 器 人 始 于 上 世 紀(jì)90年 代 是 電 子 信 息 技 術(shù) !微 制 造 技 術(shù) 和 生 物 科 學(xué) 高 度 發(fā)展 與 相 互 融 合 的 產(chǎn) 物 是 目 前 科 技 發(fā) 展 最 活躍 的 領(lǐng) 域 之 一 。 返回首頁 生 物 機 器 人 的 研 制 展 望 生 物 機 器 人 與 一 般 的 工 業(yè) 機 器 人 仿 生 機 器 人 相 比 有 許 多 突 出 的 優(yōu) 點 和 它 們 無 法 比 擬 的 優(yōu) 越 性 ， 但是 由 于 受 到 生 物 學(xué) 神 經(jīng) 學(xué) 技 術(shù) 控

44、制 技 術(shù) 通 訊 技 術(shù)傳 感 技 術(shù) 以 及 數(shù) 學(xué) 方 法 等 相 關(guān) 學(xué) 科 發(fā) 展 的 制 約 。 至 今 基 本 上 仍 處 于 實 驗 室 研 制 的 階 段 尤 其 是 在 克服 ， 生 物 疲 勞 性 適 應(yīng) 性 以 及 可 靠 實 現(xiàn) 預(yù) 期 運 動 行為 等 方 面 還 不 是 十 分 理 想 ， 離 實 際 應(yīng) 用 還 有 相 當(dāng)長 的 一 段 距 離 。 此 外 生 物 機 器 人 也 不 應(yīng) 僅 局 限 于控 制 生 物 的 運 動 行 為 還 應(yīng) 該 研 究 如 何 通 過 生 物 的視 覺 !觸 覺 和 聽 覺 來 為 人 類 服 務(wù) 。 根 據(jù) 目 前 國 內(nèi)

45、 外研 究 現(xiàn) 狀 未 來 生 物 機 器 人 的 主 攻 方 向 筆 者 認(rèn) 為 應(yīng)包 括 以 下 幾 方 面 。 生 物 學(xué) 和 神 經(jīng) 學(xué) 的 發(fā) 展 科 學(xué) 家 們 在 研 究 生 物 運 動 行 為 過 程 中 發(fā) 現(xiàn) 在 生 物 體 內(nèi) 植 入 電 極 后 即 使 生 物 可 存 活 較 長 時 間 但 在 多 次 重 復(fù) 刺 激 后 生 物 就 會 產(chǎn) 生 疲 勞 效 應(yīng)和 適 應(yīng) 性 這 不 利 于 執(zhí) 行 長 線 任 務(wù) 如 在 蟑 螂 體 內(nèi) 植 入 電 極 后 控 制 蟑 螂 沿 直 線 方 向行 走 時 常 常 會 在 后 期 發(fā) 生 蟑 螂 走 偏 現(xiàn) 象 另 外 在

46、 控 制 老 鼠 運 動 行 為 時 科 學(xué) 家 們 發(fā) 現(xiàn) 老 鼠 出 于 對 危 險 的 本 能 在 某種 條 件 下 必 須 加 大 刺 激 強 度 才 能 令 老 鼠 實 現(xiàn) 某 種 運 動 行 為 有 時 即 使 加 大 刺 激 強 度 也 無 法 達 到 預(yù) 期目 標(biāo) 這 些 事 實 表 明 人 們 對 生 物 運 動 行 為 的 機 理 了 解 得 還 不 十 分 透 徹 還 需 要進 一 步 探 索 生 物 運 動 系 統(tǒng) 的 神 經(jīng) 控 制 網(wǎng) 絡(luò) 深 入 研 究 生 物 運 動 的 調(diào) 控 機 理 相 信 隨 著 生 物 學(xué) 和 神 經(jīng) 學(xué) 的 發(fā) 展 科 學(xué) 家會 找 到

47、 更 有 效 的 控 制 策 略 從 而 實 現(xiàn) 生 物 運 動 行 為 的 可 靠 控 制 技 術(shù) 和 集 成 技 術(shù) 的 發(fā) 展 受 生 物 體 態(tài) 和 生 物 負 重 能 力 的 限 制 控 制 生 物 運 動行 為 的 微 控 制 器 有 嚴(yán) 格 的 尺 寸 和 重 量 要 求 在 有 限的 設(shè) 計 空 間 內(nèi) 需 要 集 刺 激 發(fā) 生 器 !傳 感 器 !微 型 攝 像機 和 電 源 等 元 器 件 于 一 體 在 制 備 和 植 入 微 電 極 時 要 求 與 神 經(jīng) 纖 維 接 觸 良 好而 與 周 圍 組 織 絕 緣 這 些 嚴(yán) 格 的 要 求 必 須 得 有 高 度 發(fā) 展

48、 的 技 術(shù) 和 集 成技 術(shù) 作 為 基 礎(chǔ) 這 為 技 術(shù) 的 發(fā) 展 提 出 了 新 的 課 題 控 制 技 術(shù) 和 軟 件 技 術(shù) 的 發(fā) 展 可 靠 實 現(xiàn) 生 物 的 運 動 行 為 需 要 有 更 復(fù) 雜 更精 確 的 控 制 方 法 和 簡 約 有 效 的 控 制 算 法 。對 生 物 大 腦 中 多 個 記 錄 電 極 產(chǎn) 生 的 大 量 信息 要 做 到 可 視 并 實 時 進 行 分 析 識 別 和 處 理 。 如 在 試 驗 猴 子 思 維 控 制 機 械 手 臂 的 運 動 時在 猴 腦 中 植 入 了 片 電 極 為 了 實 現(xiàn) 更 復(fù) 雜 的控 制 運 動 行 為

49、 。 科 學(xué) 家 們 還 計 劃 在 猴 的 大腦 中 植 入 多 達 片 的 記 錄 電 極 如 此 巨 大 的 信 息 量 的 處 理 需 要 先 進 的 計 算 機 技 術(shù) 和 軟 件支 持 。 仿 生 機 器 人 發(fā) 展 方 向 結(jié) 構(gòu) 微 型 化 用 于 小 型 管 道 的 檢 測 等 可 重 構(gòu) 機 器 人 （ 模 塊 化 和 可 重 組 ） -軍 事 偵 察 、 災(zāi)害 現(xiàn) 場 調(diào) 查 實 用 性 服 務(wù) 型 機 器 人 仿 生 機 器 人 群 機 器 人 生 產(chǎn) 線 、 無 人 作 戰(zhàn) 機 群 新 型 仿 生 原 理 機 器 人 運 動 機 理 的 建 模 、 生 物 行為 方

50、式 的 研 究 。 智 能 化 ： 非 結(jié) 構(gòu) 環(huán) 境 下 具 有 普 遍 實 用 意 義 的 自 主步 態(tài) 規(guī) 劃 生 成 及 控 制 。 返 回 首 頁 機 械 手 在 現(xiàn) 今 的 生 活 上 ,科 技 日 新 月 益 的 進 展 之 下 ,機 械 人 手 臂 與 有 人 類 的 手臂 最 大 區(qū) 別 就 在 于 靈 活 度 與 耐 力 度 。 也 就 是 機 械 手 的 最 大 優(yōu) 勢 可 以 重復(fù) 的 做 同 一 動 作 在 機 械 正 常 情 況 下 永 遠 也 不 會 覺 得 累 ！ 機 械 手 臂 的 應(yīng)用 也 將 會 越 來 越 廣 泛 ,機 械 手 是 近 幾 十 年 發(fā) 展

51、 起 來 的 一 種 高 科 技 自 動 生產(chǎn) 設(shè) 備 ， 作 業(yè) 的 準(zhǔn) 確 性 和 環(huán) 境 中 完 成 作 業(yè) 的 能 力 。 工 業(yè) 機 械 手 機 器 人的 一 個 重 要 分 支 。 種 類 ， 按 驅(qū) 動 方 式 可 分 為 液 壓 式 、 氣 動 式 、 電 動 式 、 機 械 式 。 特 點 是可 以 通 過 編 程 來 完 機 械 手 (12張 ) 成 各 種 預(yù) 期 的 作 業(yè) ， 構(gòu) 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 機 械 手 機 器 各 自 的 優(yōu) 點返 回 東 京 機 器 手 i機 器 手 卡 門 機 械 臂 返 回 機 械 手 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 工 業(yè) 制 造 領(lǐng)

52、 域 ： 主 要 讓 機 器 人 在 機 械 制 造 業(yè) 中 代 替 人 完 成 大 批 量 、 高 質(zhì) 量 要 求 的 工 作 ， 如 汽 車 制 造 、艦 船 制 造 及 某 些 家 電 產(chǎn) 品 （ 電 視 機 、 電 冰 箱 、 洗 衣 機 ） 的 制 造 等 。 化 工 等 行 業(yè) 自 動 化生 產(chǎn) 線 中 的 點 焊 、 弧 焊 、 噴 漆 、 切 割 、 電 子 裝 配 及 物 流 系 統(tǒng) 的 搬 運 、 包 裝 等 工 作 ， 也有 部 分 是 由 機 器 人 完 成 的 。 軍 事 領(lǐng) 域 ： 主 要 讓 機 器 人 執(zhí) 行 一 些 自 動 的 偵 察 與 控 制 任 務(wù) ，

53、尤 其 是 一 些 相 對 較 為 危 險 的 任 務(wù) ， 比如 ， 無 人 偵 察 機 、 拆 除 炸 彈 的 機 器 人 及 掃 雷 機 器 人 等 。 機 器 人 還 可 以 代 替 士 兵 去 完 成那 些 不 太 復(fù) 雜 的 工 程 及 后 勤 任 務(wù) ， 從 而 使 戰(zhàn) 士 從 繁 重 的 工 作 中 解 脫 出 來 ， 去 從 事 更 加重 要 的 工 作 。 娛 樂 領(lǐng) 域 ： 機 器 人 在 娛 樂 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 十 分 廣 泛 ， 比 如 ， 機 器 人 足 球 大 賽 、 機 器 人 彈 鋼 琴 和 機 器 人寵 物 等 。 醫(yī) 療 領(lǐng) 域 ： 機 器 人 主 要

54、用 來 輔 助 護 士 進 行 一 些 日 常 的 工 作 ， 比 如 ， 幫 助 醫(yī) 生 運 送 用 藥 品 及 自 動 監(jiān)測 病 房 內(nèi) 的 空 氣 質(zhì) 量 ， 等 等 。 宜 用 機 器 人 還 可 以 協(xié) 助 醫(yī) 生 完 成 一 些 難 度 較 高 的 手 術(shù) ，例 如 ， 眼 部 手 術(shù) 、 腦 部 手 術(shù) 等 。 美 國 還 發(fā) 明 了 一 種 可 以 進 入 人 體 血 管 的 微 型 機 器 人 ，幫 助 醫(yī) 生 在 病 人 的 血 管 內(nèi) 滅 殺 病 毒 。 返 回 仿 生 微 型 機 器 人 仿 生 微 型 機 器 人 定 義 國 內(nèi) 外 研 究 投 入 情 況 發(fā) 展 方

55、 向 返 回 仿 生 微 型 機 器 人 國 內(nèi) 外 研 究 情 況日 本 通 產(chǎn) 省 “ 微 型 機 械 十 年 計 劃 ” （ 93年 開 始 ）經(jīng) 費 250億 日 元 體 積 1立 方 cm 零 件 尺 寸 100微 米 以 下 用于 核 電 站 管 道 維 護 和 人 體 疾 病 治 療德 國 為 期 3年 6000萬 英 鎊 “ 毫 微 米 技 術(shù) 開 發(fā) 計 劃 ”美 國 螞 蟻 微 型 機 器 人 、 蒼 蠅 微 型 機 器 人中 國 主 要 集 中 在 高 校 比 如 上 交 的 六 足 微 小 型 仿 蟑 螂 機 器 人返 回 仿 生 微 型 機 器 人 發(fā) 展 方 向 微 型 能 源 微 驅(qū) 動 和 控 制 技 術(shù) 納 米 級 尺 寸 的 發(fā) 展 新 型 仿 生 原 理 機 器 人 返 回 蜜 蜂 蟑 螂 機 器 人 返 回 首 頁 沙 漠 螞 蟻 螞 蟻 化 學(xué) 導(dǎo) 航 返 回 終 結(jié) 者 返 回 人 造 肌 肉 人 造 肌 肉 機 械 臂 人 造 肌 肉 機 器 人 返 回 亟 待 解 決 的 難 題 體 積 重 量 過 大 平 臺 承 載 能 力 不 強 視 覺 研 究 不 成 熟 步 行 敏 捷 性 不 強 控 制 方 法 控 制 算 法 需 要 改 進 供 能 續(xù) 航 問 題 返 回 首 頁